با افزایش سهم انرژیهای تجدیدپذیر در شبکه برق، نیاز به فناوریهای ذخیرهسازی انرژی بیش از هر زمان دیگری احساس میشود. در حالی که باتریهای لیتیوم-یون بخش مهمی از این بازار را در اختیار دارند، هزینه مواد اولیه، محدودیت منابع معدنی و چالشهای مقیاسپذیری باعث شده پژوهشگران به دنبال راهکارهای جایگزین باشند.
در همین راستا، گروهی از محققان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) موفق شدهاند نوعی «سیمان ابرخازنی» توسعه دهند که میتواند علاوه بر نقش سازهای، انرژی الکتریکی را نیز ذخیره کند.
ایده اصلی؛ تبدیل بتن به یک سامانه ذخیرهسازی انرژی
فناوری جدید بر پایه ترکیب سه ماده بسیار رایج بنا شده است:
سیمان
آب
کربن سیاه (Carbon Black)
کربن سیاه مادهای ارزان قیمت و در دسترس است که شباهت زیادی به ذرات بسیار ریز زغال دارد. پژوهشگران دریافتند که با افزودن این ماده به خمیر سیمان، میتوان ساختاری رسانا در داخل بتن ایجاد کرد.
در ابتدا ذرات کربن در محیط مرطوب سیمان به صورت جدا از یکدیگر قرار دارند، اما با پیشرفت فرآیند گیرش و سخت شدن سیمان، این ذرات به تدریج شبکهای سهبعدی و به هم پیوسته تشکیل میدهند. این شبکه رسانا در سراسر ساختار سیمان گسترش مییابد و زمینه لازم برای ذخیرهسازی بار الکتریکی را فراهم میکند.
سیمان چگونه به یک ابرخازن تبدیل میشود؟
پس از سخت شدن سیمان، نمونهها در محلول الکترولیت قرار میگیرند تا یونها وارد منافذ موجود در ساختار بتن شوند.
زمانی که دو قطعه از این سیمان رسانا توسط یک غشای عایق از یکدیگر جدا شوند، ساختاری مشابه یک ابرخازن شکل میگیرد. با اعمال ولتاژ، یونهای مثبت و منفی در دو طرف سیستم تجمع پیدا میکنند و انرژی الکتریکی ذخیره میشود.
برخلاف باتریها که انرژی را از طریق واکنشهای شیمیایی ذخیره میکنند، ابرخازنها انرژی را به صورت الکترواستاتیکی نگهداری میکنند. به همین دلیل معمولاً سرعت شارژ و تخلیه بسیار بالایی دارند و میتوانند تعداد زیادی چرخه شارژ و دشارژ را تحمل کنند.
نخستین نتایج آزمایشها
تیم تحقیقاتی برای اثبات عملکرد این فناوری، نمونههای آزمایشگاهی کوچکی از سیمان ابرخازنی تولید کرد. این نمونهها توانستند انرژی کافی برای روشن کردن یک LED سه ولتی را ذخیره و تأمین کنند.
اگرچه این آزمایش در مقیاس کوچک انجام شده است، اما پژوهشگران معتقدند ویژگی اصلی فناوری در قابلیت افزایش مقیاس آن نهفته است. به دلیل آنکه مواد اولیه مورد استفاده ارزان و فراوان هستند، میتوان از همین مفهوم در ابعاد بسیار بزرگتر نیز استفاده کرد.
کاربردهای احتمالی
یکی از جذابترین سناریوهای مطرحشده توسط محققان، استفاده از این فناوری در ساختمانها است.
بر اساس محاسبات تیم پژوهشی، فونداسیون یک ساختمان ساختهشده از این نوع بتن میتواند انرژی تولیدشده توسط پنلهای خورشیدی را در طول روز ذخیره کرده و در زمان مورد نیاز آزاد کند. پژوهشگران تخمین زدهاند که یک بلوک بزرگ از این ماده با حجم حدود 45 مترمکعب میتواند در حدود 10 کیلوواتساعت انرژی ذخیره کند؛ مقداری که تقریباً معادل مصرف روزانه یک خانوار معمولی است.
علاوه بر ساختمانها، کاربردهای دیگری نیز برای این فناوری مطرح شده است:
زیرساختهای ذخیرهسازی انرژی در مقیاس بزرگ
جادههای هوشمند
ایستگاههای شارژ خودروهای برقی
تأسیسات انرژی بادی و خورشیدی
پژوهشگران حتی امکان استفاده از این فناوری در جادههایی که بتوانند انرژی مورد نیاز خودروهای برقی را تأمین کنند مطرح کردهاند.
مزیت اصلی این فناوری چیست؟
بزرگترین مزیت سیمان ابرخازنی، استفاده از موادی است که تقریباً در همه نقاط جهان در دسترس هستند.
در حالی که بسیاری از سامانههای ذخیرهسازی انرژی به فلزات خاص و زنجیره تأمین پیچیده وابستهاند، این فناوری بر پایه سیمان، آب و کربن سیاه ساخته شده است. همین موضوع میتواند در آینده امکان توسعه سامانههای ذخیرهسازی انرژی در مقیاس بسیار بزرگ را فراهم کند.
چالشهای پیش رو
با وجود نتایج امیدوارکننده، این فناوری هنوز در مراحل ابتدایی توسعه قرار دارد. یکی از سؤالات مهم این است که افزودن مقدار قابل توجهی کربن سیاه و ایجاد تخلخلهای بیشتر در بتن چه تأثیری بر مقاومت مکانیکی و دوام بلندمدت سازه خواهد داشت. همچنین عملکرد این سامانه در ابعاد صنعتی و شرایط واقعی هنوز نیازمند آزمایشهای گستردهتر است.
سیمان ابرخازنی یکی از نوآورانهترین ایدههای مطرحشده در حوزه ذخیرهسازی انرژی است؛ فناوریای که تلاش میکند زیرساختهای ساختمانی را از مصرفکننده انرژی به بخشی از سامانه ذخیرهسازی تبدیل کند.
اگرچه این فناوری هنوز تا تجاریسازی فاصله دارد، اما استفاده از مواد ارزان، در دسترس و مقیاسپذیر باعث شده توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کند. در صورت موفقیت، ساختمانها، جادهها و زیرساختهای آینده ممکن است علاوه بر نقش سازهای، به عنوان مخازن عظیم ذخیره انرژی نیز عمل کنند.
منابع: